从两道力学实验题谈起

李胜强

摘 要：高考物理在考查知识的同时，注重考查能力，并把能力的考察放在首要位置，力学实验题也是如此。本文以近几年高三模拟考试中出现的两道较为相似的力学实验题为例，浅析物理试题的立意和改编与创新。

关键词：能力；创新；改编

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）4-0061-3

原题1

某同学为了探究杆转动时的动能表达式，设计了如图1所示的实验：质量为m的均匀长直杆一端固定在光滑转轴O处，杆由水平位置静止释放，用光电门测出另一端A经过某位置时的瞬时速度vA，并记下该位置与转轴O的高度差h。

（1）设杆的宽度为L（L很小），A端通过光电门的时间为t，则A端通过光电门的瞬时速度vA的表达式为vA= 。

（2）调节h的大小并记录对应的速度vA，数据如上表。为了形象直观地反映vA和h的关系，请选择适当的纵坐标并画出图像。（图2）

（3）当地重力加速度g取10 m/s2，结合图像分析杆转动时的动能EK= （请用质量m、速度vA表示）。

试题分析

本题是2010—2011学年度江苏省苏北四市（徐、淮、连、宿）高三3月联考试题中的力学实验题，试题探究的是均匀长直杆转动时的动能表达式。转动时的动能表达式是高中学生不熟悉的物理公式，高考考试说明也未提及，此题给学生的第一印象是非常陌生的，但是试题考查的内容并不超纲，而且命题以能力测试为主导，考查学生对基础知识、基本技能的掌握程度和运用所学的知识分析、解决问题的能力。

第（1）问考查光电门测速的原理的理解——平均速度替代瞬时速度的极限思想的理解，属于简单题。

第（2）问考查实验数据的处理能力，表格给出四组数据要求“形象直观地反映vA和h的关系，请选择适当的纵坐标并画出图像”，这样实际是引导学生用一次函数的思想来解决物理量间的关系，属于考试说明中“应用数学处理物理问题的能力”的能力考查，属于中档题。

第（3）问考查均匀长直杆的转动动能表达式的推导，属于考试说明中“实验与探究能力——能运用已学过的物理理论、实验方法和所给的实验仪器去解决问题”的综合能力考查。要解决这一问就要充分利用第（2）问中的函数表达式，再结合杆的机械能守恒定律的规律，最终推导出均匀长直杆转动时的动能表达式，属于难题。易错点在于均匀长直杆转动时的重力势能表达式Ep=mgh/2而不是Ep= mgh。

原题2

学校开展研究性学习，某同学为了探究杆子转动时的动能表达式，设计了下图所示的实验：质量为m的均匀长直杆一端固定在转轴O处，杆由水平位置静止释放，用置于圆弧上某位置的光电门测出另一端A经过该位置时的瞬时速度vA，并记下该位置与转轴O的高度差h。

（1）该同学用20分度的游标卡尺测得长直杆的横截面的直径如图为 mm。（图3）

图3 原题附图

（2）调节光电门在圆弧上的位置，测得多组数据如表格所示。请选择适当的数据处理方法，猜想并写出vA与h的函数关系等式 。

（3）当地重力加速度g取10 m/s2，不计一切摩擦，结合你找出的函数关系式，根据守恒规律写出此杆转动时动能的表达式EK= （请用数字、质量m、速度vA表示）。

（4）为了减小空气阻力对实验的影响，请提出一条可行性措施 。

试题分析

本题是2013—2014学年度苏锡常镇四市高三教学情况调研（二）中的力学实验题，试题探究的仍是均匀长直杆转动时的动能表达式，与原题1完全一致。

第（1）问考查游标卡尺的读数，要求学生理解游标卡尺的原理，并正确快速地得出具体的读数。第一小问对学生的能力要求不高，属于容易题。

第（2）问考查对实验过程的理解和对实验数据的处理能力。重点是理解题目中“选择适当的数据处理方法”的暗示，以及“猜想并写出vA与h的函数关系等式”的推导过程。本题表格中的数据也大有特色，第1组实验数据是h=0.10 m和 vA=1.73 m/s，第5组实验数据是h=0.30 m和 vA=3.00 m/s，只要学生能把1.73转化为再观察这四个数据间的关系就能迎刃而解，最终得出vA与h的函数关系等式第（3）问考查均匀长直杆转动时的动能表达式的推导，题目中也有很多提示信息，比如“g取10 m/s2”，“ 结合你找出的函数关系式”，“ 根据守恒规律”等，这样的语言已经引导学生的思路给出了解题的钥匙，只要学生顺着出题者的引导思路再结合具体的物理规律就能解决问题。关键是长直杆转动时的重力势能的mgh应指的是长直杆的重心位置的高度变化h/2，推导过程EK= mgh/2=mv2。第（3）问对学生的能力要求更高，属于较难题。

第（4）问考查影响实验的误差分析及对实验的改进措施，要求学生结合实验原理和实验过程，能发现问题、提出问题，对解决问题的方式和问题的答案提出假设，最终改进实验。第四小问对学生的能力要求不高，属于简单题。

整体评价

原题1考查的是利用传统的方法处理实验数据，高三复习对于实验数据的处理常用的是“列表—描点—连线”法，学生对于“列表—描点—连线”法比较熟悉，这也属于基本的实验技能。此题是对考试说明中“会使用实验仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据，并得出结论，对结论进行一定的分析和评价”的能力考查，关键是横轴和纵轴的物理量的判断和选择。原题1的命题者的命题思路较为保守，中规中矩，考查的物理知识和实验能力较为常规，试题的整体难度不大，新颖程度和创新意识不够。

原题2是在原题1的基础上的改编题，命题者抛弃了传统的实验数据处理过程和对传统实验能力的考查，通过试题的重新编排，试题的起点和台阶均较高。处理数据时没有给坐标系也未考查学生的作图能力，而且表格中的数据也比原题1少了一组，仅仅是提示“选择适当的数据处理方法”和“猜想并写出vA与h的函数关系等式”，这样无形中加大了试题的难度，对学生的实验数据的处理能力的要求大大上了一个台阶。但原题2中少了一组数据又恰恰有其特殊的用意，想引导学生把1.73转化为再观察第一组和第五组数据间的关系，通过考生大胆的“猜想”正确得出vA与h的函数关系等式v=30h，考查学生对实验数据的直觉意识即直映思维。原题2的审题要字字斟酌，不放弃任何一个有用的提示，比如第（3）问中“当地重力加速度g取10 m/s2”的利用，“v=30h”此时可转化成“v=3gh”，这为解决转动时动能的表达式EK做了铺垫。原题2还考查了原题1未考查的实验误差分析和实验改进方案的进一步思考，更能引导学生深入理解实验的全过程。

相比较而言，原题2的命题者的命题思想更大胆，命题思路更开放，更新颖，这也很贴近当下江苏高考实验题的命题思路和发展趋势，实验题不纯粹考查学生的“双基”，更多的考查学生运用所学的知识分析、解决问题的能力，重视对学生科学素养的考查，注重理论联系实际，关注物理科学与技术、社会的联系，关注物理知识在现代生产、生活等方面的广泛应用，以利于激发学生科学的兴趣，培养实事求是的态度，形成正确的价值观。

总之，原题2是对原题1的继承和创新，是改编题中相当成功的典范。

参考文献：

[1]2014江苏省普通高中学业水平测试（选修科目）说明 物理科[Z].江苏教育考试院.

[2]教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2003.

[3]钟鸣. 高考实验题·根在课本里[J].物理教学，2013，（4）：74.

[4]许云凤. 如何培养学生提出问题的能力[J].物理教学探讨，2005，（5）：8.

（栏目编辑 王柏庐）